Gösta H. Liljequist Konrad Cehak Allgemeine Meteorologie 3., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 359 Bildern, 24 Tabellen, 3 Karten und 30 Photos im Anhang V Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden
Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 2. Die Gasgesetze 5 2.1. Einheiten für Temperatur und Druck 5 2.2. Die allgemeine Gaszustandsgleichung 5 2.3. Die allgemeine Gaszustandsgleichung für Gasgemische 6 2.4. Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre 6 2.5. Die meteorologischen Elemente 7 3. Die Strahlung 8 3.1. Definitionen und Einheiten 8 3.2. Die Temperaturstrahlung 11 3.3. Die Sonnenstrahlung 13 3.3.1. Das Spektrum der Sonnenstrahlung 13 3.3.2. Die Intensität der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre die direkte Sonnenstrahlung 14 3.3.3. Die Globalstrahlung 17 3.4. Die terrestrische Strahlung 20 3.4.1. Das Spektrum und die allgemeinen Eigenschaften der Strahlung 20 3.5. Der Strahlungshaushalt der Erdoberfläche und der Atmosphäre 23 3.6. Meteorologische Strahlungsmeßgeräte 25 4. Die Lufttemperatur ; 28 4.1. Die Bestimmung der Lufttemperatur 28 4.1.1. Flüssigkeitsthermometer 28 4.1.2. Deformationsthermometer. Der Thermograph 29 4.1.3. Elektrische Thermometer 30 4.1.3.1. Thermoelemente 30 4.1.3.2. Widerstandsthermometer 31 4.1.4. Strahlungsschutz 31 4.1.5. Das Nachhinken der Thermometer 33 4.2. Die Faktoren, die die Lufttemperatur bestimmen 34 4.3. Die Temperaturverteilung auf der Erde '. 38 5. Die Luftfeuchtigkeit 43 5.1. Methoden zur Beschreibung der Luftfeuchtigkeit 43 5.2. Die Dichte der feuchten Luft. Die virtuelle Temperatur 46 5.3. Die Bestimmung der Luftfeuchtigkeit 47 5.3.1. Das Psychrometer 47 5.3.2. Das Haarhygrometer. Der Hygrograph 48 5.3.3. Das Frostpunkthygrometer 48 5.4. Die Luftfeuchtigkeitsverteilung über der Erdoberfläche 49 5.5. Die Behaglichkeitsempfindung und die Schwüle 51 6. Der Luftdruck, 52 6.1. Definitionen 52 6.2. Die Abnahme des Luftdruckes mit der Höhe 52 6.3. Die Messung des Luftdruckes 54 6.3.1. Das Quecksilberbarometer 55 6.3.2. Die Reduktion der Barometerablesung auf 0 C und Normalschwere 56 6.3.3. Die Reduktion des Luftdruckes auf das Meeresniveau 59 6.3.4. Das Aneroidbarometer J..' 60 6.3.5. Das Siedebarometer oder Hypsometer.. 61
VIII Inhaltsverzeichnis 6.4. Die Luftdruckverteilung im Meeresniveau 61 6.5. Isobare Flächen.- 63 6.6. Die zeitliche Änderung des Luftdruckes 64 7. Der Wind, die Bewegung der Luft 66 7.1. Windbeobachtungen nahe der Erdoberfläche 66 7.2. Die Messung des Windes in der freien Atmosphäre der Höhenwind 70 7.3. Einige Winddaten 73 7.4. Stromlinien und Trajektorien 73 7.5. Laminare und turbulente Strömung 74 7.6. Die Turbulenz in der Atmosphäre 75 8. Temperatur, Feuchtigkeit und Luftdruck in der freien Atmosphäre 78 8.1. Historischer Rückblick 78 8.2. Radiosonden 79 8.2.1. Die amerikanische Wetterbürosonde 79 8.2.2. Die deutsche Sonde (Graw-Sonde) 80 8.2.3. Die schweizerische Sonde 80 8.2.4. Die finnische Sonde (Väisälä-Sonde) 81 8.3. Die Berechnung der Höhen in einem Radiosondenaufstieg 82 8.4. Niveauflächen und Geopotential 82 8.5. Fehlerquellen bei den Radiosondenmessungen 84 8.6. Beispiele einiger typischer Radiosondenaufstiege 85 8.7. Die Standard-Atmosphäre 87 8.8. Die Feuchtigkeit in der Atmosphäre 88 9. Die Schichtung der Atmosphäre (Thermodynamik der Atmosphäre)... 89 9.1. Wärmemenge und Arbeit 89 9.2. Die Zustandsänderung 90 9.3. Der erste Hauptsatz der Wärmelehre. Die spezifische Wärmekapazität 91 9.4. Die adiabatische Zustandsänderung 92 9.5. Die trockenadiabatische Temperaturabnahme 93 9.6. Trockenstabile und trockenlabile Schichtung 94 9.7. Die feuchtadiabatische Temperaturabnahme 95 9.8. Feuchtstabile und feuchtlabile Schichtung 98 9.9. Hebungs- und Absinkkurven 98 9.10. Thermodynamische Diagramme 99 9.11. Die Labilitätsenergie und die Entstehung von Vertikalbewegungen 102 9.12. Einige Anwendungen des Begriffes Labilitätsenergie 103 9.13. Turbulenz und Schichtung 106 9.14. Faktoren, die die Schichtung der Atmosphäre beeinflussen 107 9.14.1. Das Einwirken der dynamischen Turbulenz auf die Schichtung 107 9.14.2. Die Wirkung von Konvektion und Strahlung 108 9.14.3. Die Änderung der Stabilität bei geordneten Vertikalbewegungen 110 10. Die Kondensationsprozesse in der Atmosphäre 114 10.1. Die Bedeutung des Begriffes Dampfdruck 114 10.2. Der Sättigungsdruck über einem Tropfen 114 10.3. Die Kondensationskerne der Atmosphäre 117 10.4. Wolkentröpfchen: Größe und Fallgeschwindigkeit 118 10.5. Der Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes über Eis und über unterkühltem Wasser '. 119 10.6. Die atmosphärischen Eiskristalle 121 10.7. Die Auslösung des Niederschlags 123
Inhaltsverzeichnis IX 10.8. Künstliche Niederschlagsbildung 131 10.9: Die äußeren Bedingungen bei Kondensationsprozessen in der Atmosphäre 131 10.9.1. Kondensation bei Hebung der Luft 131 10.9.2. Kondensation bei der Abkühlung der Luft nahe der Erdoberfläche 133 10.9.3. Kondensation bei Mischung von Luftmassen verschiedener Temperatur 133 10.10. Die Fallgeschwindigkeit der Hydrometeore 134 11. Dunst und Nebel... 137 11.1. Dunst 137 11.2. Allgemeine Eigenschaften des Nebels 137 11.3. Nebelbildende und nebelauflösende Faktoren 139 11.3.1. Nebelbildende Faktoren 139 11.3.2. Nebelauflösende Faktoren 139 11.4. Die verschiedenen IMebelarten und ihre Eigenschaften 139 11.4.1. Der Strahlungsnebel 139 11.4.2. Advektionsnebel 140 11.4.3. Orographischer Nebel, Hang-und Talnebel 141 11.4.4. Frontnebel 141 11.4.5. Seerauch 141 11.4.6. Turbulenznebel 142 11.5. Nebel und Verkehr 142 12. Die Wolken 143 12.1. Die Klassifizierung der Wolken 143 12.2. Beschreibung der verschiedenen Wolkenformen 144 12.2.1. Hohe Wolken 144 12.2.2. Mittelhohe Wolken 145 12.2.3. Tiefe Wolken und Wolken mit großer vertikaler Erstreckung 145 12.3. Die Wolkenklassifikation nach der Entstehungsart 147 12.3.1. Durch ungeordnete Hebung in einer relativ dünnen Luftschicht gebildete Wolken 147 12.3.2. Durch Aufgleiten der Luft gebildete Wolken 148 12.3.3. Durch mehr oder weniger begrenzte stärke Hebung entstandene konvektive Wolken i..-r-r-^-^ 149 12.4. Die Verschlüsselung der Wolkenbeobachtungen 151 12.5. Die Bestimmung der Bewölkung und der Sonnenscheindauer 151 12.6. Die Messung der Wolkenhöhe 152 12.7. Die Messung der Wolkenbewegung 153 12.8. Wolkenbeobachtung von meteorologischen Satelliten 153 12.8.1. Meteorologische Satelliten 153 12.8.2. Bilder im sichtbaren und im infraroten Strahlungsbereich 154 12.8.3. Wolkenformen im Satellitenbild 157 12.8.4. Wolkengruppen 158 13. Der Niederschlag 159 13.1. Verdunstung und Wasserkreislauf 159 13.2. Die Klassifizierung der Niederschläge 160 13.3. Der Nieselregen ~. 161 13.4. Regen und Regenschauer 161 13.5. Schnee und Schneeschauer 162 13.6. Hagel 164 13.7. Schneetreiben und Sandsturm 165 13.8. Die Niederschlagsmessung 166 13.9. Die Anwendung des Radars in der Meteorologie 168
X Inhaltsverzeichnis 13.10. Die Bedeutung der Orographie für die Niederschlagsverteilung 170 13.11. Grundsätzliche Züge der Verteilung der Niederschläge auf der Erde 171 13.12. Wolkenbrüche und besonders starke Niederschlagsmengen 174 13.13. Gletscherbildung 176 13.14. Niederschlag in Form eines Beschlages 176 13.15. Flugverkehr und Eisbildung 177 14. Die atmosphärische Elektrizität 179 14.1. Die Ionisation der Luft 179 14.2. Die elektrische Leitfähigkeit der Luft 180 14.3. Stoßionisation 182 14.4. Die luftelektrischen Elemente 182 14.5. Meßmethoden 183 14.6. Überblick über die elektrischen Vorgänge in der Atmosphäre 187 14.7. Das Gewitter 191 14.7.1. Die Klassifizierung der Gewitter 191 14.7.2. Die elektrischen Eigenschaften der Gewitterwolken 192 14.7.3. Zur Theorie des Gewitters 194 14.8. Das Gewitter als elektrischer Generator in der Atmosphäre 195 14.9. Die Schadenwirkungen des Gewitters 198 15. Atmosphärische Optik 200 15.1. Die Lichtbrechung in der Atmosphäre (atmosphärische Refraktion) 200 15.2. Die Streuung und diffuse Reflexion des Lichtes in der Atmosphäre 203 15.3. Kränze 206 15.4. Der Regenbogen 208 15.5. Haloerscheinungen 210 15.5.1. Allgemeine Grundsätze für die Haloentstehung 210 15.5.2. Beschreibung einiger Halokomponenten 215 15.5.2.1. Der 22 -Ring 215 15.5.2.2. Der46 -Ring 216 15.5.2.3. Nebensonne oder Parhelia (mit dem Mond als Lichtquelle: Nebenmond oder Parselena) ^<. 216 15.5.2.4. Die oberen und unteren Berührungsbogen an den 22 -Ring (der umschriebene Halo) 218 15.5.2.5. Der zirkumzenitale Bogen 218 15.5.2.6. Einige Halokomponenten, die durch Reflexion an den Kristallflächen entstehen 218 16. Die atmosphärischen Bewegungsgesetze 219 16.1. Vektoren 219 16.2. Die Gradientkraft 220 16.3. Die ablenkende Kraft der Erdrotation: die Corioliskraft 222 16.4. Der geostrophische Wind 226 16.5. Der Gradientwind: die Strömung um Hoch- und Tiefdruckgebiete 228 16.6. Die zyklostrophische Zirkulation und die Trägheitsströmung 231 16.7. Der thermische Wind 232 16.8. Die Strömung der Luft, die nicht isobarenparallel verläuft ' 236 16.9. Divergenz und Konvergenz. 238 17. Kleine und große Zirkulationssysteme in der Atmosphäre 240 17.1. Land- und Seewind 240 17.2. Berg- und Talwind 241 17.3. Fallwinde 242
Inhaltsverzeichnis XI 17.4. Einige lokale Windsysteme mit eigenen Namen 243 17.5r- Jahreszeitliche Winde oder Monsune 244 17.6. Die planetarische Zirkulation 245 17.7. Die Luftströmung in den mittleren Breiten und in den Polargebieten 246 17.8. Zusammenfassung 247 18. Synoptische Wetterkarten 248 18.1. Wetterbeobachtungen 248 18.2. Die Sammlung und Weiterleitung der Beobachtungen 250 18.3. Die Wetterkarte 251 18.4. Die Analyse der Wetterkarte 252 18.5. Historischer Rückblick 256 19. Luftmassen und Luftmassengrenzen 258 19.1. Luftmassen: Klassifizierung und allgemeine Eigenschaften 258 19.2. Die Luftmassen in Mittel-, West- und Nordeuropa 260 19.2.1. Tropikluft 260 19.2.2. Polarluft 260 19.2.3. Arktikluft 261 19.3. Luftmassengrenzen: Entstehung und allgemeine Eigenschaften 261 19.4. Die Neigung der Frontflächen und die Strömung der Luft auf beiden Seiten der Front.. 265 19.5. Wetter und Wolken an Warm- und Kaltfronten 268 19.5.1. Die Warmfront 269 19.5.2. Die Kaltfront ' 270 19.5.2.1. Kaltfront mit langsamer Bewegung 270 19.5.2.2. Kaltfront mit rascher Bewegung 272 19.6. Abweichungen von den normalen Eigenschaften der Fronten 273 20. Zyklonen und Antizyklonen 275 20.1. Die Entstehung und weitere Entwicklung der Zyklonen 275 20.2. Die Okklusion 277 20.2.1. Die Warmfrontokklusion 277 20.2.2. Die Kaltfrontokklusion 278 20.3. Die allgemeine Struktur einer Zyklone 278 20.4. Zyklonenbahnen 280 20.5. Die Steuerung 281 20.6. Die Antizyklone 285 20.7. Die Höhe der Tropopause in Zyklonen und Antizyklonen 286 21. Tropische Meteorologie und Tromben 288 21.1. Die meteorologischen Verhältnisse in den Tropen 288 21.2. Die südliche Schwingung. El Nino 295 21.3. Die tropoischen Orkane 295 21.4. Tromben 301 21.5. Übersicht über die Größenordnungen der Wirbel 303 22. Die allgemeine Zirkulation 304 22.1. Übersicht über die Zirkulation in der Atmosphäre 304 22.2. Der Einfluß der Erdrotation auf das atmosphärische Strömungssystem 305 22.3. Der Strömungsverlauf in der freien Atmosphäre 307 22.4. Zirkulationen mit hohem und mit niederem Index 309 22.5. Strahlströme (Jetstreams) 310 22.6. Die zonale Zirkulation in der Atmosphäre 314 22.7. Die meridionale Zirkulation 314 22.8. Die atmosphärische Zirkulation in den Polargebieten 315
XII Inhaltsverzeichnis 23. Einige Beispiele von typischen Wetterlagen 319 23.1. Stationäres Hochdruckgebiet über Mitteleuropa 319 23.2. Sturmtief über der Ostsee 319 23.3. Am Alpenostrand nordwärts ziehendes Tief, Vb-Lage 326 23.4. Föhn im Alpenraum 326 23.5. Polare Kaltluftausbrüche 331 23.5.1. Polare Kaltluftausbrüche der Südhalbkugel 331 23.5.2. Polare Kaltluftausbrüche der Nordhalbkugel 331 23.6. Ein Querschnitt durch einen Strahlstrom über Mitteleuropa 332 23.7. Wandernde Antizyklonen der Südhalbkugel 334 24. Die meteorologischen Verhältnisse in der bodennahen Schicht 337 24.1. Die Reibungsschicht 337 24.2. Die Turbulenz und die Höhenabhängigkeit des Windes in der bodennahen Schicht... 338 24.3. Wärmeleitung und Diffusion 342 24.4. Die Windabhängigkeit von der Höhe in der Oberschicht 344 24.5. Die Ausbreitung von Luftverunreinigungen in der Atmosphäre 344 24.6. Schneetreiben und Niederschlagsmessung 346 24.7. Lokalklimatische Verhältnisse 347 25. Die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Meer 351 25.1. Hydrographische Reihen 351 25.2. Die Entstehung der Meeresströmungen 352 25.3. Die Meeresströmungen im Nordatlantik 354 25.4. Der Einfluß des Meeres auf die meteorologischen Verhältnisse 355 25.5. Die thermische Jahresschwankung in Seen und Ozeanen. Die Eisbildung 356 25.6. Die Eisverhältnisse im Meer 358 25.7. Die Zirkulation des Wassers in den großen Meerestiefen 359 26. Die Arbeitsmethoden und Probleme der Klimatologie 363 26.1. Klimabeobachtungen und Klimastationen 363 26.2. Einige statistische Gesichtspunkte bei der Bearbeitung klimatologischer Beobachtungen 365 26.3. Klimaänderungen in historischer und geologischer Zeit 368 26.4. Die Klassifizierung des Klimas 373 26.5. Die Bedeutung des Klimas 373 26.6. Der menschliche Einfluß auf das Klima. Klimamodelle 375 27. Die Stratosphäre und hohe Atmosphäre 376 27.1. Übersicht über die hohe Atmosphäre 376 27.1.1. Die Temperaturschichtung der hohen Atmosphäre 376 27.1.2. Akustische Temperaturbestimmung 377 27.1.3. Meteoritenbeobachtungen als Hilfsmittel für die Temperaturbestimmung.... 378 27.1.4. Wolken in der höheren Atmosphäre 378 27.2. Dissoziation der Luftmoleküle. Ozon in der Atmosphäre 379 27.3. Die Ionosphäre 380 27.4. Die Partikelstrahlung in der Atmosphäre 381 Literaturverzeichnis 383 Sachwortregister ; 385 Bildanhang 397